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二元協同納米界面材料

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藉助異質材料的接觸與融合所產生的表面和界面的奇異功能特性,來創造新型材料和器件,已成為許多研究領域的指導思想。而納米層次上的表面和界面科學的發展,又為跨越物理、化學、生物、材料科學和納米科技等重大學科的新興交叉研究提供了有利時機。「二元協同納米界面材料」就是從這一新層次起步的有關高級功能材料研製的新材料。

1 二元協同納米界面材料 -概述

表面和界面科學發展到現階段,人們已有共識,不同物質之間可形成各種各樣的界面,諸如金屬、無機、有機、半導體及生物材料界面上的研究,發現了許多重大現象。藉助異質材料的接觸與融合所產生的表面和界面的奇異功能特性,來創造新型材料和器件,已成為許多研究領域的指導思想。

從物理的觀點,凝聚態物質的表面相具有不同於體相的對稱性和自由能;當某物質由宏觀尺寸減小到介觀尺寸時,表面相對材料物性的影響將不容忽視。因此,表面相的設計及控制,必然是研究新型界面材料的關鍵。

「二元協同納米界面材料」這一新概念,不同於傳統的單一體相材料,而是材料的宏觀表面建造二元協同納米界面結構。該界面材料的設計思想是,人們不一定追求合成全新的體材料,當採取某種特殊的表面加工后,在介觀尺度能形成交錯混雜的兩種性質不同的二維表面相區;而每個相區的面積,以及兩相構建的"界面"是納米尺寸。研究表明,這樣具有不同,甚至完全相反理化性質的納米相區,在某種條件下具有協同的相互作用,以致在宏觀表面上呈現出超常規的界面物性的材料;即為二元協同納米界面材料。

2 二元協同納米界面材料 -詳細

「二元協同納米界面材料」是力求將二元協同性推廣到納米尺度界面,研討新型界面物性。物性的二元協同互補性是一個普遍適用的概念,如:親水性與還原性,穩定結構與亞穩結構,順磁性與抗磁性,半導體的P型與N型,強誘電體與反強誘電體,左旋光性與右旋光性等等。在通常的情況下,體材料的表面相和界面相多表現為一種單一的特性。然而,當利用二元協同界面材料的設計思想,在介觀尺度甚至納米尺度形成二元協同界面后,這樣的界面常會表現出超常的界面物性。為實現上述的二元協同性質,需要藉助軟凝聚態物理和納米化學的基本原理,完成界面材料的分子設計。  

1.超雙親性界面物性(同時具有超親水性及超親油性的表面)材料

研究表明,光的照射可引起TiO2表面在納米區域形成親水性及親油性兩相共存的二元協同納米界面結構。這樣在宏觀的TiO2表面將表現出奇妙的超雙親性。利用這種原理製作的新材料,可修飾玻璃表面及建築材料表面,使之具有自清潔及防霧等效果。這種雙親二元協同原理,同樣可以用來指導我們進一步設計和創成在其他基材上使用的超雙親性修飾劑。例如,在纖維及衣物上使用修飾劑,將使它們具有超雙親性。可以設想洗滌衣物可以僅用清水沖洗,不再使用傳統的洗潔劑;同樣也可以應用到人造血管和人造人體的形成,並且改善同活體組織的兼容性,來實現長時間的使用壽命。上述材料,對人類生活和凈化環境都是十分重要的。

2.超雙疏性界面物性材料

利用由下到上、由原子到分子、由分子到聚集體的外延生長納米化學方法,可以在特定的表面上建造納米尺寸同幾何形狀互補的(如凸與凹相間)界面結構。由於在納米尺寸低凹的表面可使吸附氣體分子穩定存存,所以在宏觀表面上相當於有一層穩定的氣體薄膜,使油或水無法與材料的表面直接接觸,從而使材料的表面呈現超常的雙疏性。這時水滴或油滴與界面的接觸角趨於最大值。如果在輸油管的管道內壁採用帶有防靜電功能的材料建造這種表面修飾塗層,則可實施石油與管壁的無接觸運輸。這對於輸油管道的安全運行有重要價值。

3.納米尺度光陽極、光陰極兩相共存的高效光催化界面材料

藉助光化學和光電化學的研究思想,利用納米化學方法,計劃研製多種具有光化學活性的納米雜化的界面材料。例如,在TiO2表面的納米區域內可以構建光陽極與光陰極共存的二元協同界面結構,在紫外光的照射下具有高效的光催化效果。可以用來分解有毒氣體(如:甲,苯,氧化氮等),殺死其表面接觸的細菌。該材料將在空氣凈化和殺菌抑菌方面有重要的應用。

物質世界的二元性是無窮無盡的,「二元協同納米界面材料」也將是無窮無盡的排列組合,等待我們的將是一個豐富多彩的新型高級功能材料新世界。

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